Las baterías de los coches eléctricos son el componente clave para conseguir que éstos sean más atractivos e interesantes, y puedan, por tanto, llegar a popularizarse: de ellas dependen la autonomía, precio, velocidad de recarga y vida útil del vehículo, aspectos fundamentales que frenan todavía a muchos usuarios.
Desde los primeros automóviles eléctricos, en algo más de 100 años hemos visto una evolución de las baterías notable: desde las vetustas de plomo-ácido o níquel-hierro, hasta las actuales de iones de litio, se ha conseguido aumentar más de 12 veces la autonomía de un coche eléctrico.
Gracias al importante salto tecnológico que han dado las baterías en los últimos años, cada vez más fabricantes de automóviles se han animado a desarrollar nuevos modelos de coches eléctricos, con promesas bastante atractivas para los próximos 4 años, con autonomías homologadas NEDC que se moverán entre los 400 y los 600 km.
El futuro presente: níquel y cobalto
Chevrolet Bolt EV (en Europa Opel Ampera-e, con muy ligeros cambios estéticos), monta lo último en baterías de LG Chem: mide 4,17 m de largo pero su batería tiene una capacidad más que destacada de 60 kWh (para conseguir una autonomía homologada NEDC de 520 km)
Por ser la química de celdas de batería con mayor densidad energética, actualmente todos los coches eléctricos que se comercializan recurren a baterías de iones de litio con electrólito líquido, esto es: el material que se encuentra entre el cátodo (electrodo negativo) y el ánodo (electrodo positivo), y que permite la transferencia de electrones, es una solución líquida.
Dentro de las baterías de iones de litio hay a su vez diferentes subtipos de estas, con pequeñas diferencias químicas, al emplear diferentes elementos en el cátodo y el ánodo, o diferentes proporciones entre estos (por ejemplo las baterías de litio-hierro-fosfato son las más económicas, aunque tienen también menos capacidad por unidad de volumen y masa).
El salto más importante que estamos viviendo ahora mismo, para pasar de autonomías homologadas en el caduco ciclo europeo NEDC de unos 150 a 200 km, hasta los actuales 400 a 500 km, ha sido gracias al empleo de nuevas celdas de batería de iones de litio con níquel y cobalto (aunque también ha ayudado una distribución de las celdas y componentes internos de la batería más compacta, que aprovecha mejor el volumen del paquete de batería).
Normalmente se emplean ánodos de grafito, o grafito y silicio, y cátodos de litio, níquel, cobalto y aluminio, por ejemplo Panasonic, para Tesla, o de litio, níquel, manganeso y cobalto, por ejemplo LG Chem, para Renault, Chevrolet, Opel, Volkswagen y otros fabricantes.
Estas últimas tienen además la ventaja de que tienen también una mayor vida útil (aproximadamente el doble) que las batería de iones de litio "antiguas", mientras que mantienen o mejoran ligeramente la velocidad de recarga y apenas aumentan el peso de la batería (algo menos de un 10 %). Eso sí, son algo más caras, aunque el impacto en el precio final de venta del coche se quede entre un 5 y un 10 % aproximadamente.
Hemos pasado por tanto de una densidad energética de algo más de 250 Wh/l (y una energía específica de unos 100 Wh/kg) de las primeras baterías de iones de litio, hasta aproximadamente entre 400 Wh/l (180 Wh/kg) y 650 Wh/l (250 Wh/kg). Esta es la realidad presente en la que se basan la mayoría de los fabricantes para proponer nuevos modelos de coches eléctricos con una autonomía bastante digna, alrededor de los 500 km homologados NEDC (unos 375 km WLTP).
Y a partir de aquí, ¿qué más?
Tesla emplea celdas de batería de Panasonic. Nissan por ahora emplea las de NEC (consorcio AESC). Renault usa las de LG Chem, como Grupo Volkswagen, Chevrolet y Opel, Hyundai y Kia, Ford, o Mercedes-Benz y smart. BMW recurre a Samsung SDI.
Las baterías de iones de litio con níquel y cobalto todavía tienen varios años de recorrido, entre otras cosas porque es necesario que bajen de precio de manera importante para que además de autonomía medianamente digna, podamos hablar de coches eléctricos de precio asequible. Esto tardará algo en llegar, ya veremos exactamente cuánto, pues hay quien habla del año 2030, y otros hablan de 2023, pero en principio llegar, debería llegar.
A partir de aquí entramos en el terreno de las baterías todavía en fase de investigación o experimentación en laboratorio, por lo que debemos ser prudentes y entender que son baterías que tal vez lleguen a comercializarse o tal vez no, y tampoco puede afirmarse una fecha exacta para su llegada.
Un nuevo tipo de batería de litio sería la de litio y azufre. Sigue empleando electrólito líquido, y su energía específica podría superar los 350 Wh/kg. El pequeño problema es que tienen que utilizar también grafeno, una estructura de carbono que, pese a alguna que otra ilusionante promesa (finalmente de dudosa realidad), todavía es complicada de producir a gran escala y bajo coste.
Otra importante evolución de las baterías de litio sería pasar de los iones de litio al litio metal, protegido contra la corrosión. Así se promete por ejemplo hasta triplicar la capacidad de las baterías de litio básicas (aunque volvemos a depender del grafeno). Quizás la propuesta más seria sea Licerion de Sion Power, con baterías de hasta 700 Wh/l de densidad energética (400 Wh/kg de energía específica).
Sion power lleva varios años colaborando con BASF en la investigación y recientemente LG Chem ha adquirido los derechos para la fabricación y comercialización de celdas y baterías a nivel industrial.
Cambiar el electrólito líquido por uno sólido
Con tecnología disponible en 2016, en el mismo volumen del paquete de batería del Nissan LEAF caben 60 kWh (que inicialmente en 2010 tenía tan solo 24 kWh de capacidad, y 175 km de autonomía NEDC)
Otra apuesta muy seria, aunque todavía tengamos que esperar algunos años para verla comercializada, son las baterías de estado sólido, un paso más allá de las baterías de litio metal. Aquí tanto Samsung como LG Chem están muy cerca de conseguirlo: primero parece que llegarían para dispositivos electrónicos móviles (alrededor de 2020, dicen), y más adelante para vehículos eléctricos (alrededor de 2025).
En estas baterías la clave es que en lugar de un eletrólito líquido entre el cátodo y el ánodo, se emplea un electrólito sólido (y ya no hay problema de corrosión, ni tampoco se necesitan separadores). Bosch no se ha quedado tampoco de brazos cruzados, compró a Seeo, y también anda detrás de este tipo de batería.
Todo son ventajas con esta nueva celda y podría ser la protagonista de la próxima década: casi duplica la densidad energética de una batería de iones de litio actual (aproximadamente 1.200 Wh/l), no se calienta tanto, el riesgo de incendio es casi cero, se recarga más rápido (teóricamente 6 veces más rápido) y su vida útil es mayor.
Esto quiere decir que nos iríamos a coches eléctricos de tamaño medio y precio más o menos asequible con más de 650 km de autonomía real (que vendrían a ser algo más de 800 km en el actual ciclo de homologación europeo NEDC, a punto de desaparecer). Con baterías así el coche de hidrógeno lo va a tener mucho más difícil.
En esta misma línea tenemos la batería de estado sólido, con un electrólito cristalizado y sodio metal, en lugar de litio metal, siendo más barata y teniendo incluso mayor capacidad. Se podrían alcanzar los 650 Wh/kg de energía específica. Esto es muy interesante además porque se cambia de material base de la química de la batería (ya no sería litio), y se evitaría así sobre-demanda o problemas de suministro.
Una ventaja adicional en las baterías de estado sólido de sodio es que además pueden funcionar con apenas pérdidas de capacidad de carga a temperaturas ambiente muy bajas. Según indica su equipo de investigación siguen teniendo una alta conductividad eléctrica a temperaturas de 20 grados centígrados bajo cero. Esto soluciona un problema de los coches eléctricos actuales, en los cuales con temperaturas muy bajas la autonomía puede disminuir en casos extremos hasta tan solo la mitad de la autonomía teórica homologada.
Detrás de estas baterías de estado sólido y sodio metal está el anciano físico alemán, nacionalizado norteamericano, John. B. Goodenough, al que se le reconoce como coautor de las baterías de iones de litio, cuando en 1980 su equipo de la Universidad de Oxford consiguió desarrollar un cátodo de óxido de cobalto y litio. Hubo que esperar hasta 1991 para tener una entre las manos, cuando Sony lanzó la primera batería de iones de litio comercial, en una de sus cámaras de vídeo.
Toyota parece ser el primer fabricante en anunciar que lanzará un coche eléctrico con batería de estado sólido en 2022. Aunque la marca japonesa ha dado de lado durante varios años a los coches eléctricos, centrándose en su gallina de los huevos de oro, los coches híbridos de gasolina, lo cierto es que desde el año 2008 tiene una división específica de investigación de baterías revolucionarias, de estado sólido y de metal-aire, que se conocía como la batería de Sakichi, para 1.000 km de autonomía.
Como acabamos de ver, otra línea de investigación de baterías del futuro con todavía mayor densidad energética es la de las baterías de celdas de metal-aire. Aquí el metal puede ser diferente, litio, sodio o aluminio. Prometen la mayor energía específica de todas, por encima de 1.600 Wh/kg. BASF por ejemplo también anda investigando este tipo (pero aquí no se habla todavía de fechas).
Otros tipos de acumuladores
Este boquerel doble repostaría a la vez los dos electrolitos del sistema Nanoflowcell de 'baterías de flujo'
Aparte de las baterías recargables tal como las conocemos hoy en día (enchufar en una toma de corrientepara recargar, durante cierto número de ciclos de carga y descarga), también se están investigando otros tipos de acumuladores para vehículos eléctricos.
Por una parte tenemos las baterías de electrólito repostable. Es una línea de trabajo de la que tuvimos noticias en 2011 por parte del MIT: en lugar de enchufar el coche para recargar la batería con energía eléctrica, se vacían y se rellenan dos depósitos con un electrólito cargado, uno positivo y otro negativo (es en verdad agua con sales disueltas), que luego interactuarán a través de una membrana porosa, generándose la corriente eléctrica. Su principio es muy similar al de las pilas de combustible.
Esto es lo que también se conoce como baterías de flujo, o de celdas semi-sólidas de flujo. Es lo que propone por ejemplo la marca NanoFlowCell, que incluso ha presentado varios prototipos de coches eléctricos que emplean este tipo de batería bajo la marca Quant, con hasta 1.000 km de autonomía, como el Quant 48Volt, el Quant e-Sportlimousine, o el Quantino.
El problema de este sistema no es que no funcione, sino que necesita de la existencia de una infraestructura de repostaje de los electrólitos (que no hay que vaciar en este caso), y que el coche en sí lleva dos depósitos de 159 litros cada uno, lo que supone añadir bastante peso. Se dice que cada litro de electrólito cuesta del orden de 0,10 euros, así que llenar el depósito vendrían a ser casi 32 euros con los que recorrer entre 800 y 1.000 km.
Los condensadores son dispositivos eléctricos capaces de almacenar energía eléctrica durante la carga gracias a un campo eléctrico, y devolverla después al circuito cuando cesa la carga. Su ventaja es que se pueden cargar y descargar muy rápidamente, en tan solo segundos, y tienen una vida útil realmente larga, pero el inconveniente es que la capacidad (su energía específica o densidad energética) es menor que en las baterías de iones de litio.
Para mejorar la capacidad se recurre a los supercondensadores. Hoy en día ya existen, pero su energía específica, alrededor de 30 Wh/kg, no llega a ser tan alta como con las baterías. Se emplean por ejemplo en algunos autobuses eléctricos urbanos que se recargan muy rápidamente en las paradas, como por ejemplo en este proyecto de Tosa y ABB para Ginebra.
Para aumentar todavía más su capacidad se están investigando supercondensadores de grafeno, que pueden alcanzar por ejemplo los 64 Wh/kg de energía específica.
Intentando aunar lo mejor de ambos mundos, también existen los bacitores, también conocidos como supercondensadores híbridos o LIC, por ser una combinación de condensador y batería de ion litio. Por ahora se han empleado en coches de competición híbridos, pero ya veremos dónde llega su evolución.
Como acabamos de repasar, el campo relativo a la acumulación de energía eléctrica tiene bastante margen de mejora todavía, y ahora, con cada vez más fabricantes de automóviles convencidos de lanzar coches eléctricos, y con los grandes fabricantes mundiales de electrónica interesados en entrar al mundo del automóvil como proveedores, ya no hay duda de que hay negocio, y de que hay y habrá cada vez mejor tecnología de baterías y coches eléctricos, y que estos ya no tendrán problemas con la autonomía (ni con la vida útil de la batería). Una revolución de verdad se acerca.
Vídeo | ABB (en YouTube)
En Xataka | Guía de compras de coches eléctricos 2017: 44 modelos que están (o estarán) en el mercado
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alonsolp
Felicidades, un buen artículo. Cuando se hacen bien las cosas, también hay que decirlo.
pabloj
Un artículo muy interesante, tengo puestas muchas esperanzas en las baterías solidas, a mi juicio es la tecnología que mejor pinta, y con empresas como Samsung, LG o Toyota prometiendo los primeros dispositivos y vehículos en pocos años espero que no se quede en el limbo.
zarr
Currada de artículo. Gracias!
imf017
De ser así como se dice, me alegro por la noticia. Ya va siendo hora de mandar a tomar por culo a la OPEP, al petróleo, a los combustibles y a todo lo que ello conlleva: guerras, miseria, contaminación, etc.
labandadelbate
No se ha hablado de las baterias de grafeno de Yecla
ktk
Bajo mi punto de vista, el problema no es tanto incrementar la capacidad de las baterías (autonomía) como mejorar el tiempo de carga. Si tengo una autonomía de sólo 300km, pero recargo en 5 minutos, lo tengo resuelto. Tan solo hay que desplegar una red de cargadores equivalente a las gasolineras. De esta manera, además, reduzco el peso del coche, que permite consumos de energía inferiores y mejora notablemente su comportamiento. No hay mas que ver el peso del Tesla S, que parece una hormigonera cargada.
piskeante
Hecho de menos bastantes cosas, aunque considero que es un buen artículo.
1º hoy en día, la mayor parte de la autonomía de los coches electricos no proviene de la cantidad de electricidad que se puede producir o almacenar, sino que la solución a los problemas de la autonomía ha sido simplemente buscar la mayor cantidad de baterías posibles, aumentando el peso de los coches exponencialmente, compensándolo con las enormes virtudes de los motores eléctricos, como es, por ejemplo, inmediatez en la entrega de par y potencia incluso desde parado.
2º Venimos siempre diciendo que las baterías no hacen nada más que mejorar, pero la realidad, la de verdad, nos cuenta una verdad diferente. las baterías mejoran, ciertamente, pero a su coste. El problema de los coches eléctricos hoy en día no es la autonomía. Esa la puedes aumentar cuanto quieras diseñando coches que puedan llevar muchas celdas. El problema de los coches actuales es que gran parte del precio de un coche eléctrico son las baterías, y que , en constante evolución y sin estabilidad "tecnológica", cada vez que hay un avance también se produce un aumento de precio equivalente que postpone su fabricación y uso. Estamos como el que quiere comprarse el ordenador, y nunca lo hace, porque compre lo que compre siempre va a haber algo mejor, y siempre será más caro.
3º el coche eléctrico es el futuro. Nuestros problemas más inmediatos para la masificación del coche, a parte del precio (que resulta prohibitivo salvo que quieras un coche pequeñito), son:
a) la enorme inversión en cargadores que hay que hacer en toda la red vial para permitir que sea viable viajar sin tener que estar mirando al milímetro si vas a llegar al siguiente
b) la enorme inversión que van a tener que hacer las empresas eléctricas para instalar enormes cantidades de potencia disponible (y también de producción) para poder satisfacer, a toda hora y en todo momento la demanda variable que pueda haber AÑADIDA A LA YA EXISTENTE. Si hoy en día bajo ciertas circunstancias, el suministro eléctrico está en riesgo, cuando llegue el coche eléctrico.......
c) porque estas compañías van a tener que producir una enorme cantidad de electricidad, que no van a poder controlar, porque no van a tener forma de saber a qué hora y en qué momento la gente va a cargar su coche. (hoy en día se puede preveer cuando vas a necesitar más o menos luz dependiendo de las condiciones ambientales), pero con el coche eléctrico ese paradigma va a cambiar.
Y bastantes cosas mas. En el aspecto técnico el artículo es muy bueno, mi enhorabuena. Pero en el aspecto práctico......
un saludo
uti
Buenísimo artículo, no te has dejado nada en el tintero, ni una cuestión sin repasar.
Ahora sí que me ha quedado claro por dónde va el tema y las opciones que hay. Y también constanto que hay que darle todavía unos años, la autonomía, salvo modelos muy caros, deja mucho que desear, y los puntos de recarga, según dónde viva uno, son también escasos.
Pero sin duda los coches eléctricos son el futuro, y hacia él nos encaminamos sin la menor vacilación.
juanmcm
Algo que me preocupa no es otra cosa más que la movilidad eléctrica en el tercer mundo donde no será sencillo introducir una estructura de estaciones de carga y, donde a duras penas hay gasolineras y donde dicha gasolina es en muchos casos con plomo y altamente contaminante.
En Europa, Japón, Corea, los EE.UU. Australia y Canadá el tema de la movilidad alternativa puede estar más o menos bajo control, o al menos en muchas regiones como en el caso de Australia, donde el interior del país no está muy desarrollado, pero si las zonas costeras de Brisbane, Sidney y Melbourne.
Pero ¿Que sucede en Filipinas, la India, Camboya o en África o incluso el Bolivia o El Salvador? En esas regiones hablar de desarrollo económico es ciertamente atrevido, pero más si hablamos de introducción de movilidad eléctrica de bajas emisiones, donde puede resultar más complicado.
Veremos si la proliferación de placas solares puede ayudar a mitigar este efecto, pero me preocupa mucho, ya que en Europa hablamos de prohibir el coche, cuando aquí no contaminan ni la décima parte de lo que circula en aquellos lares.
Por cierto, también se habló de Sony como proveedor de baterías en cuanto a movilidad eléctrica. A ver que sucede.
caku
Tremendo articulo, muy bien Ibañez
katakhan
Y que fue del material que iba a revolucionar el mundo de las baterías?? El dichoso grafeno
muscardino
Emulando a un periodista deportivo, se podría decir: un artículo de los que hacen afición. Enhorabuena por ello.
Sobre las dudas que lleva suscitando el grafeno, la impresión que tengo es que parece que todavía queda bastante tiempo para que este material esté en condiciones de ser utilizado de manera cotidiana (el precio es algo básico en todo ello)
Saludos.
pacozap
Me ha encantado el artículo. Enhorabuena, eres un ejemplo para los 'profesionales' que hay por ahí.
TOVI
Si se pudiese generar energía mientras el coche funciona con una turbina eolica (aprovechando e nmovimiento) y placas solares, y a su vez esta energía fuese cargando las baterías, aprovecharía el sol (constantemente pegando, sobre todo en el sur) y el propio viento, ya que el coche siempre va a encontrarse con viento debido a su movimiento.
eb4cak
Comentar que en la producción de electricidad se pierde aproximadamente un 10%, en su transporte pasa por varias transformaciones en las que se pierde hasta un 60% y en el vehículo, entre transformaciones y pérdidas es bien posible que se pierda hasta un 50% de la energía que quede.
Me parece estupendo que se consiga comodidad y salud antes que el absurdo ecolojetismo de pobres que solemos escuchar en Europa.
orochi2000
Con mucho respeto por el Editor y Sin ánimo de desmeritar lo que el petróleo nos permitió avanzar (aceptando y apoyando el posible caos ambiental que ha estado haciendo), yo me pregunto, cuanto habría avanzado la tecnología de las baterías si se hubiese continuado usando baterías para mover los autos, si no estoy mal los primeros fueron eléctricos pero la gasolina los mato enormemente por su autonomía (por lo que no comparto mucho con lo que inicia el articulo el cual me parece estupendo, porque menciona que ha evolucionado bastante desde su invención y no lo creo siento que desde que llego la gasolina por lo menos en vehículos se estancó su desarrollo); pienso que en estos 100 años hubiese avanzado muchísimo mas, la verdad no se le gasto mucha energía a investigarlas hasta ahora salvo para dispositivos portables menos golosos y menos importantes.
tecnocratus
Lo que nadie menciona es que el cobalto que se utiliza en los los electrodos de las actuales baterías de litio es un elemento escaso. Es decir, estamos sustituyendo un recurso no renovable (petróleo) por otro (cobalto).
Y, lo que es peor, el 60% de la producción mundial viene de la República Democrática del Congo, un país azotado por la guerra y las hambrunas desde hace décadas, a pesar de (o quizás a causa de) sus inmensos recursos naturales, donde cientos de miles de seres humanos (muchos niños) se juegan la vida cada día por la extracción de unos pocos gramos de coltán.
El Departamento Geológico de Estados Unidos (USGS) estima que, sencillamente, no hay suficiente cobalto procedente de fuentes "limpias" como para abastecer la demanda prevista de un Tesla u otro de los grandes competidores en el mercado de las baterías.
Otros expertos afirman que no habrá suficiente cobalto *en todo el mundo* como para abastecer a China en los próximos 15 años si la voracidad por el metal continua creciendoal ritmo actual. Y todos sabemos lo que ocurre cuando confluyen alta demanda y escasez de recursos naturales.
En fin, que las revoluciones verdes no siempre son tan bonitas como las pintan.
FUENTE (entre otras): Google "BBC World Service Tesla's Cobalt Conundrum".
claramente
Queda claro que muy pronto las baterías comerciales, aparte las de laboratorio, van a aumentar su densidad energetica y con la variedad de materiales se generalizara su uso sin monopolios geográficos. Pero lo que todavía parece un poco confuso es .... Si Tesla proporciona 315 millas, que son 500 km bajo ciclo americano, que son 600 kilómetros bajo ciclo NEC europeo, en el modelo barato de 29.500€ para entendernos. Y además puedes optar por 450 millas , que son 720 km bajo ciclo americano y unos 850 km en ciclo NEC europeo..... Por 38.000€!!! Lo demás está demás, que cada uno saque sus conclusiones, sobre datos, precios, impuestos, información, desinformación..... Y las ingenierías del futuro, o del presente. Hoy, ya hoy existe made in USA, con salarios y fabricación USA, la autonomía real de 700 km por el equivalente de 38.000€ sin ayudas.
Nota1, el ciclo americano, no solo es realista, sino muy real y contrastado. Nota 2, el euro está a 1,15 dólares. Nota3 , por cada milla te haces 1.6 km.
Cloruro de sodio
Creo que podemos hablar de un avance real en el tema de las baterias, las baterías de estado sólido, pueden marcar un antes y un después en lo que conocemos sobre baterias. Con un electrólito cristalizado y sodio metal, en lugar de litio metal, se consigue que las baterías sean más barata y se consigue incluso mayor capacidad.
Gran artículo, Un saludo.
alfista01
Tengo un eléctrico desde hace un año para ir a trabajar (comprarse un eléctrico en España es como comprarse un iPhone X, un gadget para ricos), y de mi experiencia de uso concluyo varias cosas interesantes:
1.- la carga en casa es lenta, no más de 3,7 kw de potencia, si no quieres quedarte sin servicio eléctrico doméstico, por lo que cada hora de carga "llena" 3,7 kwh de batería. Eso significa que, con un consumo medio de 15-20 kwh/100 kms, necesito cargar entre 4-6 horas para hacer SOLO 100 kms. Si la batería es de alta capacidad, tengo que emplear carga rápida, cuyo precio es MÁS CARO que echar gasolina 95 (aparte de la rápida degradación de la batería).
2.- mi mujer no puede tener eléctrico, aunque ponga otro enchufe en el garaje, no me da la potencia de la instalación.
3.- la autonomía del eléctrico es un auténtico choteo. En invierno y en atascos los consumos se disparan hasta más de 30 kwh/100. Como te pille un atasco no previsto, prepara el número de teléfono para llamar a la grúa. Ni qué decir tiene que en carretera como conduzcas "alegre" o te pegues una buena rampa de un puerto de montaña, adiós a la batería en minutos. Y luego piensa que como mucho, cargas a 50 kw en un puesto público (que no vas a encontrar - ver punto 4).
4.- no hay ya ni un sólo puesto de recarga público que esté libre, y si lo está, o está roto u ocupada su plaza por un petrolero. Y eso que hay cuatro coches eléctricos como aquel que dice. No quiero ni imaginar cuántos millones de postes de recarga habría que tener si todo el parque fuese eléctrico.
El cuento de la lechera de las baterías viene muy de lejos, y si no se emplea la industria en alternativas como la pila de combustible - que soluciona de un plumazo los graves problemas del eléctrico como coche principal - habrá que preguntarse quién está detrás de las minas de fosfatos.